CN109211432B - 一种测试光纤陀螺中光纤环温度分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测试光纤陀螺中光纤环温度分布的方法，首先采用四极对称绕法和双极对称绕法绕制保偏光纤和测温光纤并形成光纤环，由保偏光纤绕制成光纤陀螺光路，与光学器件组成光纤陀螺的完整光路，由测温光纤绕制的用于测试温度分布的光路，与BOTDR分布式传感系统组成温度分布测试系统，光纤环绕制完成后，装配成光纤陀螺，先后开启光纤陀螺与BOTDR分布式传感系统即可对光纤陀螺中光纤环的温度分布进行实时测试，可测试出光纤环的温度分布情况，尤其是处于工作状态下的光纤陀螺中光纤环的温度分布情况，以便能够对光纤陀螺的温度场进行优化，同时，有利于提升光纤环的应力分布对称性及温度均匀性最终提升光纤陀螺的温度性能。

Description

一种测试光纤陀螺中光纤环温度分布的方法

技术领域

本发明属于光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种测试光纤陀螺中光纤环温度分布的方法。

背景技术

光纤陀螺仪因其具有全固态结构、动态范围宽、启动时间短、抗冲击能力强的特点，广泛应用于惯性导航、姿态控制、定位定向等航空、航天和国防工业等领域。

光纤陀螺主要由光纤环、光源、Y波导、探测器和耦合器五大器件组成，其中，光纤环通过绕制工装进行绕制，绕制工装采用常规的光纤环圈骨架结构，其一般呈工字环形，包括供光纤绕制的环面和分别设置在环面两侧的挡板，两侧挡板均可拆卸，其结构如附图1所示，光源和光纤环受温度的影响较大，温度的轻微变化会使光源和光纤环的输出发生明显漂移。当前，光源普遍采用了恒温控制技术，使得光源的光功率、波长在全温范围内保持相对稳定，因此，光纤环受温度的影响便成了需迫切解决的问题。光纤环受温度的影响主要表现在两个方面，第一方面是光纤环自身对温度比较敏感，容易受温度变化影响，另一方面是光纤陀螺中其他光学、电子器件工作发热产生不均匀的温度场，这一不均匀温度场对光纤环造成的影响。为了解决光纤环自身对温度敏感的问题，通常在光纤环绕制时采用四极对称绕法，这样可以使得距离中点对称位置的光纤具有相同的温度、温度梯度，从而大大使得温度、温度梯度的影响大幅度抵消，降低了光纤环的温度敏感性。但由于光纤环绕制自动化程度低，主要依赖人为控制，因此，光纤环的四极对称程度受到了影响，导致光纤环的性能仍然受制于温度、温度梯度。另一方面，由于整个光纤陀螺的尺寸小，光学器件、电子器件间间隔小，以光源为代表的光学器件和电子芯片工作时产生的热量会使得光纤环的温度场不均匀，进而影响到光纤环的温度对称性，大大降低了光纤环的四极对称程度。

当前阶段，光纤环受温度的影响多是通过仿真进行评估的，由于光纤陀螺中影响光纤环温度的因素异常多，因此，仿真的结果与实际产品仍然存在明显的差距。随着光纤传感技术的进步，光纤分布式测试技术越来越成熟，基于布里渊散射技术的BOTDR分布式传感系统逐渐在光纤环的温度分布测试中得到应用，这种应用把光纤环的保偏光纤的尾纤与温度分布测试系统的光路直接连接，测试光纤环在不同温度下的温度分布情况，由于一般的光纤陀螺仅由保偏光纤绕制，当把保偏光纤与温度分布测试系统连接起用于测温后，光纤陀螺本身的工作光路受到影响，导致该应用仅仅局限于静态测试或局部测试，并不能真正反映出光纤陀螺工作状态下光纤环的温度分布情况。对于光纤陀螺而言，外界温变只是一个方面，对光纤环温度分布影响更大的是组装后的光纤陀螺工作时温度场，光纤陀螺的温度场是处于工作状态下的各光学器件、电子器件发热及传热、散热与外界环境共同形成的，但处于这一状态下的光纤陀螺中光纤环的温度分布缺少测试手段。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够测试工作状态下的光纤陀螺中光纤环温度分布方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种测试光纤陀螺中光纤环温度分布的方法，包括以下步骤：

步骤1：计算并量取所需长度的保偏光纤和用于测温的测温光纤，保偏光纤以其中点为界，中点两侧分别设为保偏光纤a段和保偏光纤b段，标记保偏光纤的中点，测温光纤以其中点为界，中点两侧分别设为测温光纤c段和测温光纤d段，标记测温光纤中点，保偏光纤a段、保偏光纤b段、测温光纤c段及测温光纤d段各留足一定长度作为尾纤；

步骤2：将测温光纤以垂直于绕制工装轴线的方式紧贴绕制工装一侧内壁最里处，该侧内壁设为A侧，另一侧内壁设为B侧，且使得测温光纤的中点与绕制工装表面接触；

步骤3：将测温光纤c段沿绕制工装从A侧向B侧绕制第一层，直至c段测温光纤与绕制工装B侧相接；

步骤4：在步骤3中绕制完成的第一层的基础上按照四极对称绕法绕制保偏光纤第二层、第三层、第四层及第五层，使得绕制完第五层后保偏光纤a段和b段均位于绕制工装B侧；

步骤5：在步骤4中绕制完成的由保偏光纤形成的第五层的基础上，将测温光纤d段由第一层跃过四层至第五层上，并沿保偏光纤第五层从A侧向B侧绕制第六层，直至测温光纤d段与绕制工装B侧相接；

步骤6：在步骤5中绕制完成的第六层的基础上按照四极对称绕法绕制保偏光纤第七层、第八层、第九层及第十层，使得绕制完第十层后保偏光纤a段和b段均位于绕制工装B侧；

步骤7：重复步骤3至步骤6，直至绕制了10*N层保偏光纤和测温光纤，所述N为不小于1的整数，其中在绕制完10层一个周期后，测温光纤c段和d段均以其就近侧为下一个周期的起始侧；

步骤8：在步骤7中绕制完成的10*N层光纤层的基础上，再绕制至少一层测温光纤作为保护层，完成光纤环的绕制；

步骤9：固化绕制完成的光纤环，并从绕制工装上拆下；

步骤10：将步骤9中得到的光纤环的保偏光纤的a段和b段的尾纤分别与Y波导两根尾纤对接，并将构成光纤陀螺的其余光学器件的尾纤依次对接，直至整个光纤陀螺形成闭合光路，并对光纤陀螺其余结构进行装配直至构成一个完整的光纤陀螺，然后进行调试；

步骤11：将步骤10中得到的光纤环的测温光纤的c段和d段的尾纤分别与BOTDR分布式传感系统光路熔接，先开启光纤陀螺使光纤陀螺的温度场稳定，然后开启BOTDR分布式传感系统，利用BOTDR分布式传感系统即可测出处于工作状态下的光纤陀螺中光纤环温度分布情况。

这样的，与常规的四极对称绕法不同，本发明提供了一种组合绕法，该组合绕法是基于四极对称绕法和双极对称绕法的技术，将光纤环的单条完整光路调整为双光路，一条是由保偏光纤绕制的光纤陀螺光路，与光学器件组成光纤陀螺的完整光路，该光路以四极对称绕法绕制；另一条光路是用于测试温度分布的光路，与基于布里渊散射技术的BOTDR（基于布里渊时域反射）分布式传感系统组成温度分布测试系统，该光路是双极对称方式绕制，绕制方向与光纤陀螺光路绕制方向相反，这样可以保证各层光纤绕制时的平整性，光纤环绕制完成后，装配成光纤陀螺，将光纤环中测温光纤的尾纤与BOTDR分布式传感系统光路熔接，先后开启光纤陀螺与BOTDR分布式传感系统即可对光纤陀螺中光纤环的温度分布进行实时测试，可测试出光纤环的温度分布情况，尤其是处于工作状态下的光纤陀螺中光纤环的温度分布情况，以便能够对光纤陀螺的温度场进行优化，同时，有利于提升光纤环的应力分布对称性及温度均匀性最终提升光纤陀螺的温度性能。

作为优化，在步骤4中，采用以下步骤绕制保偏光纤第二层、第三层、第四层及第五层：

步骤4.1：将保偏光纤以垂直于绕制工装轴线的方式紧贴靠近绕制工装B侧的两匝测温光纤形成的V型槽，且使得保偏光纤的中点处外壁与靠近绕制工装B侧的两匝测温光纤形成的V型槽侧壁接触；

步骤4.2：将保偏光纤a段沿测温光纤形成的第一层从B侧向A侧绕制保偏光纤第二层，直至保偏光纤a段光纤位于靠近绕制工装A侧的两匝测温光纤形成的V型槽中；

步骤4.3：将保偏光纤b段沿保偏光纤形成的第二层从B侧向A侧绕制保偏光纤第三层，直至b段光纤与绕制工装A侧相接；

步骤4.4：将保偏光纤b段沿保偏光纤形成的第三层从靠近绕制工装A侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中向B侧绕制保偏光纤第四层，直至保偏光纤b段光纤位于靠近绕制工装B侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中；

步骤4.5：将保偏光纤a段沿保偏光纤形成的第四层从A侧向B侧绕制保偏光纤第五层，直至保偏光纤a段光纤与绕制工装B侧相接。

这样的，采用以上步骤绕制保偏光纤，绕制方向与测温光纤的绕制方向相反，可以进一步保证各层光纤环绕制时的平整性。

作为优化，在步骤6中，采用以下步骤绕制保偏光纤第七层、第八层、第九层及第十层：

步骤6.1：将保偏光纤a段沿测温光纤形成的第六层从B侧向A侧绕制保偏光纤第七层，直至保偏光纤a段光纤与绕制工装A侧相接；

步骤6.2：将保偏光纤b段沿保偏光纤形成的第七层从靠近绕制工装B侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中向A侧绕制保偏光纤第八层，直至b段光纤位于靠近绕制工装A侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中；

步骤6.3：将保偏光纤的b段沿保偏光纤形成的第八层从A侧向B侧绕制保偏光纤第九层，直至b段光纤与绕制工装B侧相接；

步骤6.4：将保偏光纤的a段沿保偏光纤形成的第九层从靠近绕制工装A侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中向B侧绕制保偏光纤第十层，直至保偏光纤a段光纤位于靠近绕制工装B侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中。

这样的，采用以上步骤绕制保偏光纤，有利于进一步保证各层光纤环绕制时的平整性。

作为优化，所述保偏光纤和测温光纤的直径相等。

这样的，可以更好的控制绕制时一层光纤的匝数，保证绕制时各层的平整性和一致性。

作为优化，所述测温光纤为单模光纤。

这样的，由于只要能传输信号的光纤都可以作为测温光纤，保偏光纤一般较为昂贵，为了降低成本，可优选为单模光纤作为测温光纤。

附图说明

图1是绕制工装的结构示意图；

图2本发明利于图1所示的绕制工装绕制时的成品的截面图；

图中：1-绕制工装，2-测温光纤c段，3-测温光纤d段，4-保偏光纤a段，5-保偏光纤b段，6-绕制工装的A侧，7-绕制工装的B侧。

具体实施方式

下面结合例附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：参见图1至图2，一种测试光纤陀螺中光纤环温度分布的方法，包括以下步骤：

步骤1：计算并量取所需长度的保偏光纤和用于测温的测温光纤，保偏光纤以其中点为界，中点两侧分别设为保偏光纤a段4和保偏光纤b段5，标记保偏光纤的中点，测温光纤以其中点为界，中点两侧分别设为测温光纤c段2和测温光纤d段3，标记测温光纤中点，保偏光纤a段4、保偏光纤b段5、测温光纤c段2及测温光纤d段3各留足一定长度作为尾纤；实施时，可分别将一跟保偏光纤和一跟测温光纤置于两套光纤盘上，每套光纤盘各包含两个分纤盘，保偏光纤和测温光纤分别缠绕到各自的分纤盘上，且保偏光纤和测温光纤的长度中点位于各自的两个分纤盘之间，然后将绕制工装安装到绕线机上进行绕制，绕制工装1采用常规的光纤环圈骨架结构，其一般呈工字环形，包括供光纤绕制的环面和分别设置在环面两侧的挡板，其结构如附图1所示；

步骤2：将测温光纤以垂直于绕制工装轴线的方式紧贴绕制工装1一侧内壁最里处，该侧内壁设为A侧6，另一侧内壁设为B侧7，且使得测温光纤的中点与绕制工装1表面接触；

步骤3：将测温光纤c段2沿绕制工装从A侧6向B侧7绕制第一层，直至测温光纤c段2与绕制工装B侧7相接；

步骤4：在步骤3中绕制完成的第一层的基础上按照四极对称绕法绕制保偏光纤第二层、第三层、第四层及第五层，使得绕制完第五层后保偏光纤a段4和b段5均位于绕制工装B侧7；

步骤5：在步骤4中绕制完成的由保偏光纤形成的第五层的基础上，将测温光纤d段3由第一层跃过四层至第五层上，并沿保偏光纤第五层从A侧6向B侧7绕制第六层，直至测温光纤d段3与绕制工装B侧7相接；

步骤6：在步骤5中绕制完成的第六层的基础上按照四极对称绕法绕制保偏光纤第七层、第八层、第九层及第十层，使得绕制完第十层后保偏光纤a4段和b段5均位于绕制工装B侧7；

步骤7：重复步骤3至步骤6，直至绕制了10*N层保偏光纤和测温光纤，所述N为不小于1的整数，其中在绕制完10层一个周期后，测温光纤c段2和d段3均以其就近侧为下一个周期的起始侧；

步骤8：在步骤7中绕制完成的10*N层光纤层的基础上，再绕制至少一层测温光纤作为保护层，完成光纤环的绕制；

步骤9：固化绕制完成的光纤环，并从绕制工装1上拆下；

步骤10：将步骤9中得到的光纤环的保偏光纤a段4和b段5的尾纤分别与Y波导两根尾纤对接，并将构成光纤陀螺的其余光学器件的尾纤依次对接，直至整个光纤陀螺形成闭合光路，并对光纤陀螺其余结构进行装配直至构成一个完整的光纤陀螺，然后进行调试；

步骤11：将步骤10中得到的光纤环的测温光纤c段2和d段3的尾纤分别与BOTDR分布式传感系统光路熔接，先开启光纤陀螺使光纤陀螺的温度场稳定，然后开启BOTDR分布式传感系统，利用BOTDR分布式传感系统即可测出处于工作状态下的光纤陀螺中光纤环温度分布情况。

这样的，与常规的四极对称绕法不同，本发明提供了一种组合绕法，该组合绕法是基于四极对称绕法和双极对称绕法的技术，将光纤环的单条完整光路调整为双光路，一条是由保偏光纤绕制的光纤陀螺光路，与光学器件组成光纤陀螺的完整光路，该光路以四极对称绕法绕制；另一条光路是用于测试温度分布的光路，与基于布里渊散射技术的BOTDR（基于布里渊时域反射）分布式传感系统组成温度分布测试系统，该光路是双极对称方式绕制，绕制方向与光纤陀螺光路绕制方向相反，这样可以保证各层光纤绕制时的平整性，该条光路中的光纤选择测温光纤，以降低光纤陀螺成本，光纤环绕制完成后，装配成光纤陀螺，将光纤环中测温光纤的尾纤与BOTDR分布式传感系统光路熔接，先后开启光纤陀螺与BOTDR分布式传感系统即可对光纤陀螺中光纤环的温度分布进行实时测试，可测试出光纤环的温度分布情况，尤其是处于工作状态下的光纤陀螺中光纤环的温度分布情况，以便能够对光纤陀螺的温度场进行优化，同时，有利于提升光纤环的应力分布对称性及温度均匀性最终提升光纤陀螺的温度性能。

作为优化，在步骤4中，采用以下步骤绕制保偏光纤第二层、第三层、第四层及第五层：

步骤4.1：将保偏光纤以垂直于绕制工装轴线的方式紧贴靠近绕制工装B侧7的两匝测温光纤形成的V型槽，且使得保偏光纤的中点处外壁与靠近绕制工装B侧7的两匝测温光纤形成的V型槽侧壁接触；

步骤4.2：将保偏光纤a段4沿测温光纤形成的第一层从B侧7向A侧6绕制保偏光纤第二层，直至保偏光纤a段4光纤位于靠近绕制工装A侧6的两匝测温光纤形成的V型槽中；

步骤4.3：将保偏光纤b段5沿保偏光纤形成的第二层从B侧7向A侧6绕制保偏光纤第三层，直至保偏光纤b段5光纤与绕制工装A侧6相接；

步骤4.4：将保偏光纤b段5沿保偏光纤形成的第三层从靠近绕制工装A侧6的两匝保偏光纤形成的V型槽中向B侧7绕制保偏光纤第四层，直至保偏光纤b段光纤位于靠近绕制工装B侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中；

步骤4.5：将保偏光纤a段4沿保偏光纤形成的第四层从A侧向B侧绕制保偏光纤第五层，直至保偏光纤a段4光纤与绕制工装B侧7相接。

这样的，采用以上步骤绕制保偏光纤，绕制方向与测温光纤的绕制方向相反，可以进一步保证各层光纤环绕制时的平整性。

作为优化，在步骤6中，采用以下步骤绕制保偏光纤第七层、第八层、第九层及第十层：

步骤6.1：将保偏光纤a段4沿测温光纤形成的第六层从B侧7向A侧6绕制保偏光纤第七层，直至保偏光纤a段4光纤与绕制工装A侧6相接；

步骤6.2：将保偏光纤b段5沿保偏光纤形成的第七层从靠近绕制工装B侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中向A侧6绕制保偏光纤第八层，直至保偏光纤b段5光纤位于靠近绕制工装A侧6的两匝保偏光纤形成的V型槽中；

步骤6.3：将保偏光纤的b段5沿保偏光纤形成的第八层从A侧6向B侧7绕制保偏光纤第九层，直至保偏光纤b段5光纤紧与制工装B侧相接；

步骤6.4：将保偏光纤的a段4沿保偏光纤形成的第九层从靠近绕制工装A侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中向B侧绕制保偏光纤第十层，直至保偏光纤a段4光纤位于靠近绕制工装B侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中。

这样的，采用以上步骤绕制保偏光纤，有利于进一步保证各层光纤环绕制时的平整性。

作为优化，所述保偏光纤和测温光纤的直径相等。

这样的，可以更好的控制绕制时一层光纤的匝数，保证绕制时各层的平整性和一致性。

作为优化，所述测温光纤为单模光纤。

这样的，由于只要能传输信号的光纤都可以作为测温光纤，保偏光纤一般较为昂贵，为了降低成本，可优选为单模光纤作为测温光纤，其他如光子晶体光纤也可。

Claims (3)

1.一种测试光纤陀螺中光纤环温度分布的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：计算并量取所需长度的保偏光纤和用于测温的测温光纤，保偏光纤以其中点为界，中点两侧分别设为保偏光纤a段和保偏光纤b段，标记保偏光纤的中点，测温光纤以其中点为界，中点两侧分别设为测温光纤c段和测温光纤d段，标记测温光纤中点，保偏光纤a段、保偏光纤b段、测温光纤c段及测温光纤d段各留足一定长度作为尾纤；

步骤2：将测温光纤以垂直于绕制工装轴线的方式紧贴绕制工装一侧内壁最里处，该侧内壁设为A侧，另一侧内壁设为B侧，且使得测温光纤的中点与绕制工装表面接触；

步骤3：将测温光纤c段沿绕制工装从A侧向B侧绕制第一层，直至测温光纤c段与绕制工装B侧相接；

步骤4：在步骤3中绕制完成的第一层的基础上按照四极对称绕法绕制保偏光纤第二层、第三层、第四层及第五层，使得绕制完第五层后保偏光纤a段和b段均位于绕制工装B侧；

步骤5：在步骤4中绕制完成的由保偏光纤形成的第五层的基础上，将测温光纤d段由第一层跃过四层至第五层上，并沿保偏光纤第五层从A侧向B侧绕制第六层，直至测温光纤d段与绕制工装B侧相接；

步骤6：在步骤5中绕制完成的第六层的基础上按照四极对称绕法绕制保偏光纤第七层、第八层、第九层及第十层，使得绕制完第十层后保偏光纤a段和b段均位于绕制工装B侧；

步骤7：重复步骤3至步骤6，直至绕制了10*N层保偏光纤和测温光纤，所述N为不小于1的整数，其中在绕制完10层一个周期后，测温光纤c段和d段均以其就近侧为下一个周期的起始侧；

步骤8：在步骤7中绕制完成的10*N层光纤层的基础上，再绕制至少一层测温光纤作为保护层，完成光纤环的绕制；

步骤9：固化绕制完成的光纤环，并从绕制工装上拆下；

步骤10：将步骤9中得到的光纤环的保偏光纤的a段和b段的尾纤分别与Y波导两根尾纤对接，并将构成光纤陀螺的其余光学器件的尾纤依次对接，直至整个光纤陀螺形成闭合光路，并对光纤陀螺其余结构进行装配直至构成一个完整的光纤陀螺，然后进行调试；

步骤11：将步骤10中得到的光纤环的测温光纤的c段和d段的尾纤分别与BOTDR分布式传感系统光路熔接，先开启光纤陀螺使光纤陀螺的温度场稳定，然后开启BOTDR分布式传感系统，利用BOTDR分布式传感系统即可测出处于工作状态下的光纤陀螺中光纤环温度分布情况；

在步骤4中，采用以下步骤绕制保偏光纤第二层、第三层、第四层及第五层：

步骤4.1：将保偏光纤以垂直于绕制工装轴线的方式紧贴靠近绕制工装B侧的两匝测温光纤形成的V型槽，且使得保偏光纤的中点处外壁与靠近绕制工装B侧的两匝测温光纤形成的V型槽侧壁接触；

步骤4.2：将保偏光纤a段沿测温光纤形成的第一层从B侧向A侧绕制保偏光纤第二层，直至保偏光纤a段光纤位于靠近绕制工装A侧的两匝测温光纤形成的V型槽中；

步骤4.3：将保偏光纤b段沿保偏光纤形成的第二层从B侧向A侧绕制保偏光纤第三层，直至b段光纤与绕制工装A侧相接；

步骤4.4：将保偏光纤b段沿保偏光纤形成的第三层从靠近绕制工装A侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中向B侧绕制保偏光纤第四层，直至保偏光纤b段光纤位于靠近绕制工装B侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中；

步骤4.5：将保偏光纤a段沿保偏光纤形成的第四层从A侧向B侧绕制保偏光纤第五层，直至保偏光纤a段光纤与绕制工装B侧相接；

在步骤6中，采用以下步骤绕制保偏光纤第七层、第八层、第九层及第十层：

步骤6.1：将保偏光纤a段沿测温光纤形成的第六层从B侧向A侧绕制保偏光纤第七层，直至保偏光纤a段光纤与绕制工装A侧相接；

步骤6.2：将保偏光纤b段沿保偏光纤形成的第七层从靠近绕制工装B侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中向A侧绕制保偏光纤第八层，直至b段光纤位于靠近绕制工装A侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中；

步骤6.3：将保偏光纤的b段沿保偏光纤形成的第八层从A侧向B侧绕制保偏光纤第九层，直至b段光纤与绕制工装B侧相接；

步骤6.4：将保偏光纤的a段沿保偏光纤形成的第九层从靠近绕制工装A侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中向B侧绕制保偏光纤第十层，直至保偏光纤a段光纤位于靠近绕制工装B侧的两匝保偏光纤形成的V型槽中。

2.根据权利要求1所述的一种测试光纤陀螺中光纤环温度分布的方法，其特征在于：所述保偏光纤和测温光纤的直径相等。

3.根据权利要求1所述的一种测试光纤陀螺中光纤环温度分布的方法，其特征在于：所述测温光纤为单模光纤。

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